清華庹新林/北化邱藤：改性凍干法宏觀制備芳綸納米纖維氣凝膠
2021年6月8日 10:01瀏覽：2360
氣凝膠作為一種低密度、高孔隙率的材料而廣為人知，與冷凍干燥或超臨界干燥等復雜的加工方法密切相關。最近，
清華大學
庹新林副教授
/北京化工大學
邱藤副研究員
以聚合誘導的芳綸納米纖維（PANF）為基礎，提出了一種改進的冷凍干燥方法，用于高效制備全對芳酰胺氣凝膠。在制備過程中，
PANF水凝膠首先在-18°C冷凍，然后在20-150°C干燥以形成PANF氣凝膠。在冷凍過程中形成的 PANF 框架對于 PANF 氣凝膠的形成至關重要
。
此外，冰晶的占位效應也有助于氣凝膠中宏觀孔隙結構的形成。通過這種方法可以成功獲得大尺寸或形狀控制良好的氣凝膠。
通過水凝膠中PANF濃度和干燥溫度的變化，可以獲得不同密度（20-185 mg/cm
3
）的氣凝膠，在150°C時密度最低，PANF濃度為0.7%。
低密度 PANF 氣凝膠顯示出高比壓縮強度和低熱導率，可與冷凍干燥或超臨界干燥方法產生的結果相媲美。此外，干燥過程中的收縮現(xiàn)象可以巧妙地用于制備PANF氣凝膠涂層物體。PANF氣凝膠在實際應用中可用作隔熱材料或減震材料。
相關論文以題為
Macroscopic-Scale Preparation of Aramid Nanofiber Aerogel by Modified Freezing–Drying Method
發(fā)表在《
ACS
Nano
》上
。
示意圖
1
. PANF 氣凝膠形成的示意圖 (a) 原始 PANF 水凝膠。(b) 冷凍 PANF 水凝膠。(c) PANF 氣凝膠。
圖
1
. (a) PANF 分散
液
。（b 和 c）PANF 在不同放大倍數(shù)下的 TEM 圖像。(d) 制備的 PANF 水凝膠 (PANF% = 3%)。(e) 冷凍的 PANF 水凝膠。(f) PANF 氣凝膠。(g) 大尺寸 (220 mm × 150 mm × 40 mm) 的 PANF 氣凝膠。（h）不同形狀的PANF氣凝膠。左，埃菲爾鐵塔；對，中國石獅。(i) 涂有 PANF 氣凝膠的不同材料。從
左到右：
PS管、金屬管、石英管。
圖
2. 不同氣凝膠的宏觀形態(tài)和典型的 SEM 圖像。
圖
3.
(a) 不同 PANF 氣凝膠樣品的壓縮應力-應變曲線。(b) PANF 氣凝膠和報道的芳綸氣凝膠的熱導率 (25 °C)。KNA氣凝膠；KNF 氣凝膠；層壓氣凝膠（徑向）；PPTA氣凝膠；PA氣凝膠。(c) PA-20、PA-40 和其他氣凝膠的熱導率和比壓縮強度。PAN/BA-a/SiO
2
；近場通信；PVA-co-PE；自動柜員機；PVA/CNF/GONS；CNF/硅；
G
A；
C
SG；注意：選擇的氣凝膠的密度范圍為 9.6-42.0 mg/cm
3
，所有應力均
在
70% 的應變下進行。(d) PANF 氣凝膠和 Kevlar 29 的 TGA 和 DTA 曲線。
基于
PANF水凝膠的改良凍干法成功制備了密度可調且性能優(yōu)異的PANF氣凝膠。在-18°C條件下冷凍，然后在20-150°C下干燥，PANF水凝膠成功轉化為PANF氣凝膠。PANF框架和冰晶的分離效果保證了該過程中的形狀穩(wěn)定性。利用該方法的簡單性和制備過程中PANF氣凝膠的收縮率可控，成功制備了大尺寸或各種形狀的PANF氣凝膠以及PANF氣凝膠涂層物體。該方法也足夠靈活，PANF%和干燥溫度作為兩個工藝參數(shù)，可以很容易地調整以制備不同密度的PANF氣凝膠。它們的孔結構和 BET 表面積，以及機械性能和熱導率
，都隨著密度而相應地改變。
在制備的氣凝膠中，
PA-20 和 PA-40 是兩種典型的低密度樣品，具有低熱導率（0.0300-0.0400 W/（m·K））和高比壓強度。
此外，PANF氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，與Kevlar 29相似，在氮氣中500°C之前幾乎不發(fā)生分解。在實踐中，PANF 氣凝膠可用于隔熱或減震應用。
考慮到PANF氣凝膠的優(yōu)異性能，除了時間、能源和成本節(jié)約等優(yōu)勢外，MFD方法可能為PANF氣凝膠產品的宏觀規(guī)模生產和應用帶來光明的未來。
參考文獻
：
doi.org/10.1021/acsnano.1c01551
版權聲明
：「
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